Les sommes mises sur la table ont fait l’effet d’un choc. Le 5 novembre, la discrète start-up américaine Helion Energy a annoncé une levée de fonds monstre, à hauteur de 500 millions de dollars (à peu près 440 millions d’euros) pour développer son projet de réacteur basé sur la fusion nucléaire à l’hélium 3, dont elle promet un démonstrateur dès 2024. Mieux, les mêmes investisseurs – menés par le prestigieux cofondateur d’OpenAI et ancien président du Y Combinator Sam Altman – se sont déjà engagés à débourser 1,7 milliard de dollars supplémentaires (environ 1,5 milliard d’euros) si certaines étapes prédéfinies, mais non dévoilées, sont atteintes.
Les start-up de la fusion nucléaire ont la cote cette année. Mais l’opération reste remarquable pour Helion Energy, qui devient la deuxième start-up la plus financée du domaine, derrière l’autre américaine TAE Technologie. Après une récolte de 280 millions début 2021, cette deuxième société atteignait 880 millions de dollars de financement cumulés sur 20 ans d’existence. Pour Helion, l'opération semble à la hauteur de ses promesses, puisque la fusion à l’hélium 3 qu’elle vise permettrait, à l’en croire, d’atteindre le véritable Graal d’une fusion nucléaire sans aucun déchet radioactif. Une quête ancienne, mais encore incertaine, soulignent les scientifiques interrogés par L’Usine Nouvelle.
Fusion sans neutrons
« Il y a une déconnexion entre les montants levés et les faisabilités techniques : aucun article scientifique n’a été publié et la fusion utilisant de l’hélium 3 est particulièrement complexe », juge d’emblée Greg de Temmerman, physicien passé par le projet Iter en France et directeur du think-tank spécialisé dans l’énergie Zenon Research. Pour rappel : la fusion nucléaire pour produire de l’électricité est un vieux rêve. A l’inverse de la fission, qui casse de gros noyaux atomiques pour dégager de l’énergie, le principe est de fusionner les noyaux de deux atomes très légers. L’opération, qui nécessite de très hauts niveaux de chaleur et de pression, a lieu au sein d’un plasma (qu’il faut confiner) et dégage d’importantes quantités d’énergie. Elle a surtout les avantages non-négligeables de ne pas pouvoir s’emballer et de générer peu de déchets radioactifs.
Reste à choisir le carburant. Aujourd'hui, la majorité des expériences utilisent des isotopes de l'hydrogène, que sont le deutérium et le tritium. « C’est la réaction qui est envisagée dans le projet Iter en construction à Cadarache, car c’est la plus facile à obtenir », explique Xavier Garbet, directeur de recherches au CEA et physicien des plasmas à l’Institut de recherche sur la fusion magnétique (IRFM). Cette fusion émet alors des neutrons qui sortent du champ magnétique et viennent réchauffer les parois de la chambre de confinement (le tokamak). Cela permet de récupérer l’énergie avec une simple turbine à vapeur. Mais « le défaut du système, c’est qu’avec le temps, les neutrons (qui sont très énergétiques) entraînent des dommages aux matériaux de structure », continue le scientifique. Là où une autre recette, la réaction deutérium-hélium 3, est aneutronique. En clair : « Elle ne produit pas de neutrons », donc n'abîme pas son entourage et ne génère pas de déchets.
Le Graal des Graal énergétiques, en quelque sorte… À l'exception qu’il nécessite un combustible – l’hélium 3 donc – ayant le méchant défaut d'être quasiment absent de la surface terrestre. Pour certains, la solution pourrait être d’aller le miner sur la Lune. Mais Helion prend une autre voie et imagine en réalité une fusion mixte, au sein de laquelle des fusions d’atomes de deutérium entre eux pourraient permettre de récupérer le précieux isotope (quitte à produire quelques neutrons au passage).
Une opération exigeante
« L’autre problème, c’est que la fusion de l’hélium 3 est bien plus difficile, continue Xavier Garbet. Elle nécessite davantage d’énergie, une température de plasma plus élevée et des propriétés de confinement bien meilleures. » Comme la nouvelle molécule fusionne mal, les réacteurs devraient atteindre 500 millions de degrés, estime Greg de Temmerman. Loin de la température du soleil (15 millions de degrés), des objectifs du projet Iter (150 millions de degrés). D’où les doutes de l’expert, qui incite à se méfier d’une « bulle de l’hélium 3 » et préfère voir dans cette technologie une piste « pour une deuxième ou troisième génération de réacteurs, après la fusion deutérium tritium ».
Helion Energy Vision d'artiste d'une impulsion de fusion nucléaire dans le réacteur d'Helion. Crédit : Helion Energy.
Pour réussir son pari, Helion mise sur un type de fusion « par impulsions », via une architecture de confinement magnétique particulière, dite field-reversed configuration (FRC). « C’est une configuration qui confine le plasma sous forme d’anneau puis le comprime par un champ magnétique », décrit Greg de Temmerman. Cette stratégie, qui est aussi celle de la start-up TAE Technologies (qui vise une fusion hydrogène-bore) permet « d’utiliser bien mieux la capacité du champ magnétique généré que ne le permettent les tokamaks », synthétise l’expert. En clair de cadenasser le plasma avec plus d'emprise magnétique.
Verrous technologiques
Contrairement à Iter donc, Helion ne souhaite pas générer de fusion continue, mais de très brèves réactions de fusion les unes à la suite des autres. Concrètement, deux anneaux de plasma sont générés aux extrémités d’un réacteur linéaire. Sur des rails magnétiques, ils sont accélérés avant de se télescoper au sein d’une chambre centrale, où a lieu la réaction de fusion. Une réaction instable et brève, qui « se déforme, s’étire puis disparaît rapidement », dépeint Xavier Garbet. Sur le papier, cette brièveté peut permettre des gains énergétiques. Mais tout l’art est de stabiliser l’anneau assez longtemps pour que la fusion s’opère et de pouvoir répéter le processus rapidement.
La pépite devra aussi prouver que sa méthode de récupération de l’électricité est fonctionnelle. Comme la fusion à l’hélium 3 ne produit pas de neutrons, Helion prévoit un système de conversion directe, mobilisant le flux magnétique généré par l’expansion du plasma en fusion pour produire de l’électricité. « Ils disent pouvoir récupérer 95% de l’énergie du plasma ainsi. Ce sont des rendements énormes, mais pour l’instant les résultats ne sont pas publiés », note Greg de Temmerman.
Grâce à son prototype Trenta, Helion affirme avoir généré un plasma à 100 millions de degrés durant plus d’une milliseconde cet été. Rien n’a été validé par publication au sein d'un journal scientifique, mais la pépite assure avoir réalisé près de 10 000 impulsions de fusion depuis la mise en service de Trenta en 2020. Son prochain réacteur, Polaris, devrait tirer chaque seconde pour prouver la production de faibles quantités d’électricité dès 2024 et produire de l’hélium 3. La start-up anticipe ensuite la production de réacteurs de 50MW, explique son PDG David Kirtley, à Techcrunch. Une feuille de route très ambitieuse : le site spécialisé rappelle qu’en 2014, la pépite prévoyait déjà d’atteindre une production nette d’électricité en... 2017. Il ne reste plus qu'à attendre pour savoir si l'issue de ce nouveau pari sera la même.
L’hélium 3 aiguise les appétits
Difficile de faire une recette sans les bons ingrédients ! L’hélium 3 est peut-être miraculeux pour la fusion, mais « il n’existe pas sur Terre à l’état naturel. Il est principalement produit par la décroissance du tritium (qui prend 12 ans), dont il existe entre 25 à 35 kg sur notre planète », rappelle Greg de Temmerman. Certains, principalement dans le secteur spatial, caressent la possibilité de champs d’extraction sur la Lune.
« Les échantillons ramenés par la mission Apollo ont montré, dès les années 1980, que l’astre recèle beaucoup d’hélium 3 », éclaire le directeur de Zenon Research. Qu'il s'agisse d'alimenter la Terre, ou de faire de la molécule le carburant phare d'une future exploration spatiale... Plus modeste, la pépite Helion Energy préfère proposer un modèle garanti « sans voyage spatial nécessaire », dans lequel une partie des réactions de fusion ont lieu entre deux noyaux de deutérium, pour générer la précieuse molécule. De quoi imaginer un business model fondé en partie sur la vente d’hélium 3, conjecture alors l’expert, qui note ses vertus pour le refroidissement à très basse température et la détection de sources radioactives.
